Émission β- de 220Fr

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Submitted on 1 Jan 1971

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Émission β - de 220Fr

J.P. Briand, P. Chevallier, A. Touati

To cite this version:

J.P. Briand, P. Chevallier, A. Touati. Émission β- de 220Fr. Journal de Physique, 1971, 32 (2-3),

pp.101-105. �10.1051/jphys:01971003202-3010100�. �jpa-00207029�

ÉMISSION 03B2- ^{DE 220Fr}

par J. P.

BRIAND,

^P. CHEVALLIER et A. TOUATI Institut de

Physique Nucléaire,

Laboratoire

Curie,

^Paris

(Reçu

^{le 24}

juin 1970,

^{révisé le 12 octobre}

1970)

Résumé. ²⁰¹⁴ Un très faible embranchement

03B2-(3,5 10-3)

^est observé dans la

désintégration

^de

220Fr

(T½

^{= 25}

s),

^en utilisant des

techniques particulières

de collection des atomes de recul 03B1

d’ordres variés. Ce résultat fixe le

spin

^{et la}

parité (J

⁼¹

parité positive)

^{du niveau} fondamental de 220Fr. L’observation dans le spectre ^{03B1 de 224Ac en}

équilibre

^{avec ses}

descendants,

^{d’une raie}

à 7,960 MeV, peut ^être

expliquée

^par

l’hypothèse

de l’existence d’un niveau

isomérique

^dans

216At ou 212Bi.

Abstract. ²⁰¹⁴ Very ^weak

(3.

^{5 x}

10-3)03B2-

branch in the

disintegration

^{of 220Fr}

(T½

^{= 25}

^s)

^is

observed

using special

technics of collection of 03B1 recoil atoms of various order. This result

implies

J = 1 + for the fundamental level of 220Fr. The observation in 03B1 spectra ^{of 224Ac}

samples

^of

an 03B1 ray ^at 7.960 MeV, ^is

explained by

^the

hypothesis

^{of an isomeric state either in}

216At,

^either

in 212Bi.

Classification

Physics

^Abstracts

12.10 ^- 12.20

1. Introduction. ^- Lors de l’étude du

spectre

^{a des} éléments de la série radioactive a de

224 Ac (Fig. 1

^et

2)

deux raies a à

8,040

^et

7,960 MeV,

d’intensité relative

3,5

^x

^10-3

^et

2,8

^x

^10-4

par

rapport

^{à la raie} aa

de 216At,

^avaient été observées mais n’avaient _{pu être}

interprétées [1].

^{Nous en avons}

repris l’étude,

^{à l’aide}

FIG. 1. ^- Série radioactive de 224Ac.

FIG. 2. ^- Spectre ^{a de la série} radioactive de 224Ac.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003202-3010100

102

due

techniques

^{liées au recul des noyaux émetteurs} a, et identifié ces raies.

Nous discuterons successivement les méthodes uti- lisées pour identifier ^ces

raies, puis l’interprétation

^des

résultats ainsi obtenus.

Les sources de

224Ac

sont obtenues _par collection des atomes de recul émis dans la

désintégration

^a

de

228Pa,

lui-même formé dans la réaction nucléaire

232Th(p,

⁵

n)228Pa

^et

séparé

^{suivant une méthode}

décrite _par ailleurs

[2].

’

2. Identification de la raie or de

8,040

^{MeV. - Le} seul _noyau émetteur a connu,

correspondant

^{à cette}

énergie (8,040 MeV)

^est

^216Rn [3].

^La

présence

^{de cet}

isotope

^dans nos sources ne

peut s’interpréter qu’en supposant

l’existence de transitions

B-

des éléments de la série

de 224Ac

vers ceux de la série de

224 Th (Fig. 3).

Les raies a

caractéristiques

^de

^{224 Th}

^et

^220Ra

^ne

(T

⁼

1,2 us)

^{avec la raie a de}

8,785

^MeV caractéris-

tique

^de

^212Po (T

⁼

0,3 gs),

descendant de

216Rn.

Le

spectre

^{a observé est}

présenté

^{dans la}

figure

4. La raie a

de

8,040

^MeV y ^est

observée,

^{celle de}

7,960

MeV pas.

Les raies a

de 216 At, 212pO ^{et 211po} (impureté)

^corres-

pondent

^aux coïncidences fortuites. L’étude de

l’espa-

cement dans le

temps

^{de ces}

coïncidences,

^{réalisée en}

conversion

temps-amplitude, permet

^{de retrouver la}

période

^de

0,3

us

de 212pO.

La raie a de

8,040

^{MeV est}

donc bien

caractéristique ^{de 216Rn} (T

^{= 45}

us).

3. Le

22oFr

est émetteur

0-.

^{- Pour} déterminer la transition

B- qui

^{conduit à}

^216Rn

directement ou par

filiation,

^{nous devons}

préparer

^{des sources}

spécifiques

de

220Pr

et

216At, exemptes

^{de leurs}

parents.

^La

période

^{très courte de ces éléments et la très faible}

intensité de la raie

étudiée,

interdisent toute

séparation chimique.

FIG. 3. ^- Séries radioactives des 224Th et 224Ac.

peuvent

être identifiées avec certitude dans le

spectre

^a de

224Ac

en

équilibre

^{avec ses}

descendants,

^les

énergies

des

particules

^a émises par ^ces éléments étant

trop

voisines de celles des raies de structure fine a de

220Fr

et

216At. L’hypothèse

^d’une contamination de nos sources par des éléments de cette

série,

formés directe- ment dans la réaction nucléaire ne

peut

^{être retenue eu}

égard

^{aux très faibles}

périodes

des éléments considérés.

- Pour identifier la raie de

8,040 MeV,

^{nous avons} étudié le

spectre

^{a obtenu en} coïncidences lentes

FIG. 4. ^- Spectre ^{a en} coïncidence avec la raie caractéristique

de 212po,

Pour étudier le

spectre

^{a de}

220Pr

et de ses descen-

dants,

^{nous avons mis au}

point

^un

dispositif

^{de collec-}

tion

rapide

^{des atomes} de recul schématisé dans la

figure

^{5. Une source de}

^224Ac

^est

placée

^sous

vide,

^face

FIG. 5. ^- Appareil ^de collection des ions de recul d’ordre 1.

à ^un

cylindre

^{mobile suivant son axe. Les noyaux de}

recul de

22oFr

émis dans la

désintégration

^{a de}

^{224 Ac}

viennent se

déposer

^{sur une} fraction de la surface du

cylindre. Après

^{une rotation de 1800 du}

cylindre,

^la

source de

220Fr

vient se

placer

^{face à un détecteur a}

(jonction

^{au silicium à barrière de}

surface).

^Le

dispo-

sitif

peut

fonctionner d’une manière discontinue ou

continue suivant les _cas, la

période

^{du mouvement ou la}

vitesse de rotation du moteur étant

réglée

^{en fonction}

des

périodes

^des

isotopes

^{étudiés. Le}

spectre

^{a de}

2zoFr

et de ses

descendants,

^{observé avec ce}

dispositif,

^est

présenté

^{dans la}

figure

6. La raie de

8,040

^MeV

(216Rn)

apparaît

^avec l’intensité relative attendue.

FIG. 6. ^- Spectre ^{a observé avec} l’appareil de recul d’ordre 1.

Cette

expérience permet

d’éliminer

l’hypothèse

^d’une

transition

du 224Ac vers 224Th.

La durée de rotation du

cylindre,

^{entre deux} poses, était d’une

seconde,

^{et dans}

ces conditions l’intensité relative de la raie de

8,040

^MeV devrait être

plus

^faible que dans le

spectre

obtenu à

partir

^{d’une source de}

^{224 Ac.}

^La

période

^de

décroissance de la raie de

8,040

MeV mesurée avec

l’appareil

^de collection du recul d’ordre 1 est

égale

à 25 secondes

(période

^du

220Pr).

On est alors amené à faire les deux

hypothèses

^sui-

vantes :

Or,

^on observe dans ce

spectre

^{une raie à}

7,492

^MeV

précédemment

^{attribuée à la}

transition 216 At --> 212 Bi [4].

^{A une}

énergie

très voisine

(7,46 MeV) pourrait

^se

trouver

également

^{la raie}

caractéristique

^{de la tran-}

sition fondamentale vers

22’Ra -+ 216Rn.

L’attribution de cette raie à

216 At

avait été néan- moins établie par des

expériences

^de coïncidences y - ^a

(Fig. 7) (cette

raie excite un niveau à 325 keV

dans 212Bi).

^{Le rendement en} coïncidence de cette raie est anormalement faible devant l’intensité observée dans nos

expériences

^en

spectrographie

^directe

(Fig. 6).

La

présence

^de

^220Ra

^ne

peut

donc être affirmée avec

certitude,

^ce

qui empêche

^{de trancher entre les}

hypo-

thèses 1 et II.

Pour obtenir des sources de

216At (r ¥2

^{= 300}

^ps)

exemptes

^{de leurs}

parents 224Ac

^et

220Pr,

^{nous avons}

FIG. 7. ^- Schéma de désintégration de 216At -> 21281 (4).

réalisé le

dispositif

schématisé dans la

figure

^{8. Une}

source de

224 Ac déposée

^{sur un carré}

métallique

^de

3 ^mm de côté est

placée

^{sous vide face à un}

disque

biseauté

qui

collecte les ions de recul de

22oFr.

Ce

disque

^tourne discontinûment ou continûment.

Après

rotation de 180° la

partie

^{active se trouve face à un bloc}

métallique

creusé suivant la forme d’une calotte

sphé- rique.

^{Les ions de recul}

^{de 216At}

^se

déposent

^{sur cette}

surface et

s’y désintègrent.

^{Un détecteur a}

disposé

FIG. 8. ^- Appareil de collection des ions de recul d’ordre 2.

FIG. 9. ^- Spectre ^{a observé avec} l’appareil ^{de recul d’ordre 2.}

104

comme il est

indiqué

^{dans le schéma}

analyse

^le

spectre

^a émis. Le

spectre

ainsi obtenu est

présenté

^{dans la}

figure

^{9. La raie a}

caractéristique ^{de 216Rn}

^{est évidem-}

ment observée. Les très faibles taux de

comptages

obtenus ne

permettent

pas d’observer la raie de

7,960

^{MeV. La} réémission d’ions

d 2 "At

_{par le}

disque

biseauté est

faible,

^la collection des ions

du 22oFr ayant

eu lieu sous vide

(enfoncement

^{de ces} ions dans le

support).

La raie ^a de

7,492

^{MeV est observée et son intensité} relative est inférieure ou

égale

^à

1 %o,

c’est-à-dire 5 fois

plus

^faible que dans

l’expérience précédente,

alors que celle de

216Rn

est

toujours

^de

3,5 0/00.

^Il

s’agit

^donc

dans ce cas de la contribution _{de a32s}

de 216At.

Cette diminution d’intensité confirme sans

ambiguïté,

^la

présence

^de

^220Ra

^{dans les sources}

précédentes

^et

permet

^d’écarter

l’hypothèse

^II.

C’est donc

22oFr qui

^{est émetteur}

3-.

4.

Interprétation

de la raie a de

7,960

^{MeV. -} L’ensemble des résultats

expérimentaux

concernant la raie a de

7,960

^MeV

peut

^{être ainsi résumé :}

- Cette raie

apparaît

^{dans les}

spectres

^{de recul}

.

FIG. 10. ^- Spectre ^{a observé avec} l’appareil ^{de recul d’ordre 1}

, (haute statistique).

d’ordre

1,

^{obtenus avec le}

dispositif présenté

^{dans la}

figure 5,

^en

utilisant,

^{au détriment de la}

résolution,

^des

sources de

224Ac beaucoup plus

intenses que dans le cas

des

expériences

décrites dans les

paragraphes précé-

dents. On

présente figure

^{10 deux}

spectres

^ainsi

obtenus,

illustrant la décroissance de cette raie. On trouve T ⁼ 25 s. Cette raie

correspond

^{donc à l’un des élé-}

ments à vie courte de la série radioactive de

220Pr.

- Elle n’est _pas émise _par

220Rn (cette

^raie

dispa-

raît en coïncidence a - a avec

212pO).

Deux

hypothèses

^{sont alors}

possibles qui

^sont

schématisées dans la

figure

^11.

FIG. 11. ^- Hypothèses relatives à la raie a de 7,960 ^MeV.

L’hypothèse (A) indique

l’existence d’un niveau

isomérique

^dans

^212B1.

^Cette situation serait

analogue

à celle de

210Bi

où un niveau

isomérique

^de

période

T ⁼ 45 s a été observé

[9].

L’existence de deux niveaux

correspondant

^{à une} différence de

spin

^{élevé est}

prévue

par la théorie. Ces _noyaux

impairs-impairs

^corres-

pondent

^{en effet au}

couplage

des états individuels

h 2 et g 2

^{du modèle en couche} pour les

protons

^et

neutrons célibataires. Les deux termes extrêmes du

couplage

^les

plus probables

doivent être alors obser- vés.

L’hypothèse (B) indique

l’existence d’un niveau

isomérique ^{de 216At}

^{à environ 150} keV. Trois niveaux sont effectivement observés dans ce domaine

d’énergie

mais aucune indication n’autorise actuellement de conclure. D’autres

expériences permettront peut-être

dans l’avenir de trancher entre ces deux éventualités.

5.

Spin

^et

parité

^de

^{220Fr. -}

^La

désintégration

^du

22oFr

conduit

principalement

^{au niveau} fondamental du

220Ra ;

s’il n’en était pas ainsi les raies _y caracté-

ristiques

^du

220Ra,

^{notamment celle de 177 keV}

(désexcitation

^du

premier

^{niveau 2}

+)

^{devraient être}

observées dans le

spectre

y direct de

224Ac

en

équilibre

avec ses descendants. Ce

spectre

^{a été} étudié dans un

travail antérieur et aucune raie _y

caractéristique

^du

220Ra n’y

^est

observée,

^{avec une intensité}

supérieure

à 5 ^x

10-4 [5], [6].

^{Le bilan}

énergétique QB

de la désin-

tégration peut

^{alors être} calculé par la’méthode des

cycles.

^Le

rapport

d’embranchement étant maintenant

connu

(3,5

^x

10-3)

^{on trouve une} valeur du

log ft

égale

^{à 6.}

Il

s’agit

^d’une

transition {3-

^du

type

favorisée : AJ ⁼ 0 ^ou 1 sans

changement

^de

parité.

^{Le niveau}

fondamental de

22oRa

étant 0 + le

spin

^{du niveau}

fondamental de

220Fr

est donc

égal

^{à 0 ou 1 et sa}

parité

^est

positive.

Cette incertitude

peut

être levée. En effet

220Fr

est formé dans la

désintégration

^{a de}

^{224 Ac}

^{dont le}

spin

est

0, 1

^{ou 2 et la}

parité négative [7].

- Si le

spin

^{du niveau} fondamental de

l’224Ac

était

0 -,

^{celui du}

^220Fr

^ne

pourrait prendre

que la valeur 1 +.

- S’il est

égal

^{à 1 - le}

spin

^du

^220Fr peut

^{être 0}

ou 1

parité

^+.

- S’il est

égal

^{à 2 - le}

spin

^de

^220Fr

^ne

peut

^être

que 1 _+.

L’hypothèse

^{0 +}

peut

être exclue. En effet de nom-

breux niveaux de

220Fr

^ne sont pas

peuplés

^directe-

ment dans la

désintégration

^{a de}

^{224 Ac} [6] [8]

^{et se}

désintègrent

^{vers le} niveau fondamental. Or seuls les niveaux 0 - ne

peuvent

^être

atteints,

par

désintégration

a à

partir

d’un niveau 1 -. Les transitions 0 - - 0 +

de ces niveaux vers le fondamental étant interdites

l’hypothèse

^{J = 0} pour le niveau fondamental de

220Pr

doit être écartée. Le niveau fondamental de

220Pr

a donc un

spin égal

^{à 1 et sa}

parité

^est

positive.

Le

22oFr

est un noyau

impair

^en

proton

^{et en neu-}

tron ;

la valeur du

spin

^{de son} niveau fondamental

(ou plutôt

celle du nombre

quantique principal

^{K dans le}

cas où les bandes de rotation

présentent

des inver-

sions) ^résulte,

suivant la

règle

^de

couplage

^de

Gallagher- Moskowski,

^{de la}

composition

^des

spins intrinsèques

observés dans les _noyaux

impairs

^voisins

^219Fr

^et

219Rn.

Seul le

spin

^{du niveau} fondamental

du 219Rn

est connu

(J -5f)

^{et cette}

règle

^ne

peut

être vérifiée.

La valeur J ⁼

2

pour

le 219Rn indique cependant qu’il s’agirait

^d’un

couplage

^{« a} minima » du

type

^K-.

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